CN100460864C - 一种检测氮化镓基半导体发光二极管结温的方法 - Google Patents

一种检测氮化镓基半导体发光二极管结温的方法 Download PDF

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Abstract

一种检测氮化镓基半导体发光二极管结温的方法，包括：1.在很低注入电流下，通过控制其周围温度获得发光峰位随结温的变化关系；2.在一定注入电流下，测量其在不同温度下发光峰位的变化关系，从中得出高温下发光峰位的变化关系，并外推至坐标轴，得到去除电流屏蔽效应后，在某一温度下的发光峰位；3.将此发光峰位数值代入从1得到的结温与发光峰位的关系判断在此注入电流及温度下发光二极管PN结区的温度。本发明可在很小的误差范围内表征在不同注入电流及温度下GaN基半导体发光二极管PN结区的实际温度，有利于GaN基半导体发光二极管的性能表征和优化研究。

Description

一种检测氮化镓基半导体发光二极管结温的方法
技术领域
本发明涉及半导体发光二极管(LED)的检测方法，特别是指一种检测氮化镓(GaN)基半导体发光二极管结温的方法。
背景技术
LED的基本结构是一个半导体PN结。当电流流过LED器件时，PN结的温度将上升，严格意义上说，PN结区的温度就是LED的结温。通常由于器件芯片具有很小的尺寸，因此常把LED芯片的温度视为结温。在LED工作时，存在五种情况促使结温不同程度的上升：一、器件不良的电极结构，窗口层衬底或结区的材料以及导电银胶等均存在一定的电阻值，构成LED器件的串联电阻。电流流过这些电阻时，产生焦耳热，引致芯片温度升高。二、PN结的不完美性使器件注入效率不会达到100％，由N区注入到P区的电子不会产生光电效应，而是以发热的形式消耗掉。三、注入到PN结的部分有用电荷与结区的杂质或缺陷结合变成热。四、由于半导体材料的折射率比较高，芯片内部产生的光子会在界面上产生全反射，返回到芯片内部并通过多次内部反射最终被芯片材料或衬底吸收并以晶格振动的形式变成热，促使结温升高。五、环氧树脂、衬底、管壳、银浆等材料的导热系数比较低，导致LED器件的热散失能力差。LED工作时，结温不断上升。LED PN结温度上升会引起其光电参数退化，如内量子效率降低、电阻率和正向电压下降，；非辐射复合率增加，发光强度降低；发光波长位移，光输出通量降低。同时，过高的结温还会引起LED封装材料如环氧树脂、荧光粉等物理性能的变化，严重时导致LED失效，所以降低PN结温，是应用LED的重要关键所在。
结温是衡量一个LED器件性能优劣的重要参数。GaN基半导体材料是制造蓝、绿和白光发光二极管的重要材料。对GaN基半导体发光二极管性能参数的准确表征是对其进行充分利用的重要过程。因此，通过实验准确测量GaN基半导体发光二极管的结温具有重要的实际意义。
目前，测量LED结温的方法很多，常用的有三种方法。一种是根据LED发光光谱高能边斜率的大小确定其结温，但这种方法测得的主要是器件内载流子的温度，用其来表示结温会导致测量结果偏高。另外两种方法是根据发光峰位和LED前向电压随结温的变化关系来判断结温，主要步骤是首先在不同的脉冲电流及不同环境温度下，获得不同注入电流下，发光峰位和前向电压随温度的一系列对应关系，作为发光峰位和前向电压随结温变化的标准对应关系；然后在直流电流下测量室温下的发光峰位和前向电压，将此值代人标准对应变化关系中得到室温下的结温。用这两种方法确定的结温受电压表及光谱仪精确度的影响很大，而且在确定不同温度下的结温时，操作过程比较繁琐。
发明内容
本发明的目的是要提供一种能够同时检测不同注入电流和不同温度下的GaN基半导体发光二极管结温的方法。
本发明的具体技术方案如下：
1.将被测样品GaN基LED置于温度可控的烘箱中。接通直流电源使LED发光，通过光纤将LED所发的光引到显微-拉曼荧光光谱仪的CCD探测器上。所说的烘箱也可用半导体制冷器来代替，并直接将其与LED一起置于显微-拉曼荧光光谱仪的物镜下，调节焦距，将物镜焦点聚在LED发光面上，这样可省略光纤。
2.在起始温度T0下，调节LED注入电流的大小，获得可用显微-拉曼荧光光谱仪探测到LED发光光谱的最小注入电流I0。
3.在最小注入电流I0下，调节烘箱或半导体制冷器的温度，从起始温度T0开始以5-20℃的间隔逐步增加，同时由光谱仪的CCD探测器采集不同温度下LED的电致发光光谱。所说的起始温度可根据实际需要确定，如需要室温以下，可采用半导体制冷器调节。
4.对采集的每一幅光谱中位于峰值的2/3数值大小以上的光谱段采用高斯线形进行拟合，以便有效地降低噪声带来的峰位读取误差，获得其准确的发光峰位；并绘制在此最小注入电流下，LED发光峰位与烘箱温度的变化关系对应点，将这些点线性拟合形成一条线作为LED发光峰位随烘箱温度变化的标准线性对应关系Ej线。
5.增大LED注入电流I，I值的选取不能超出其最大工作电流，调节烘箱或半导体制冷器的温度及电致发光光谱的采集采用步骤3相同的方法；对采集的每一幅光谱中位于峰值的2/3数值大小以上的光谱段采用高斯线形进行拟合，以便有效地降低噪声带来的峰位读取误差，获得其准确的发光峰位；并绘制在此注入电流I下，半导体发光二极管发光峰位与烘箱温度的变化关系对应点。
6.对步骤5所得的基本呈线性变化区域的对应点进行线性拟合，可获得呈线性变化区域温度下的发光峰位与烘箱温度的线性变化关系EH线，延长EH线与发光峰位轴相交，EH线与Ej线相互平行，其同一温度点的能量差ΔE电流为电流屏蔽效应所引的能量增加值。
7.步骤5所测的对应点中的发光峰位值与ΔE电流的差即为去除电流屏蔽效应后，纯粹与结温相关的发光峰位。
8.将步骤7所得的纯粹与结温相关的发光峰位值代入到标准对应关系Ej线，便可得到步骤5注入电流下的，各种温度下的LED的结温。改变注入电流，便可得到不同注入电流下，不同温度下的LED的结温。
本发明的方法是基于GaN基半导体发光二极管中存在压电效应和屏蔽效应，注入电流的大小和PN结区温度都会改变量子阱或量子点中导带与价带间的第一子带间跃迁能量，引起发光峰位的变化。注入电流增大，结温升高，跃迁能减小，发光峰位红移；同时电流屏蔽效应又会使跃迁能增大，发光峰位蓝移，因此，屏蔽效应和PN结区温度对发光峰位的影响是两者竞争的结果。本发明首先在很低注入电流即由电流引起的屏蔽效应和热效应都可忽略的情况下，通过改变LED芯片温度获得结温与发光峰位的标准变化关系；在大注入电流下，LED器件中存在热效应和屏蔽效应，为了避开屏蔽效应对发光峰位的影响，分别测量得到高温下和低温下发光峰位的变化关系。由于在高温下，温度对发光峰位的影响起主导作用；低温下，两者相当。因此，步骤5所得的高温段的发光峰位与温度的变化关系与步骤1所得到的标准变化关系具有相同的斜率，且它们的能量差值为电流屏蔽效应所引起的跃迁能量的增加值。用在某一温度下的发光能量值减去电流屏蔽效应的作用就可得到由结温确定的发光峰位，再代入步骤1中所得到的标准变化关系便可得到在此温度下LED的结温。
本发明可在很小的误差范围内表征GaN基半导体发光二极管PN结区的实际温度，有利于GaN基半导体发光二极管的性能表征和优化研究。
附图说明
图1为LED发光峰位随结温变化的标准关系图。
图2为注入电流为I时，LED发光峰位与结温的变化关系及结温获取图。
具体实施方式
以下通过实施例及附图对本发明作进一步的详细说明。
实施例：测量室温下注入电流为80mA时，GaN基LED的结温。
选用显微-拉曼荧光光谱仪测量发光峰位的变化。光谱仪中的CCD探测器和不同放大倍数的物镜有利于测量在很低注入电流下LED的电致发光光谱。
1.将被测样品GaN基LED置于温度可控的烘箱内；接通直流电源使LED发光，通过光纤将LED所发的光直接引到显微-拉曼荧光光谱仪的CCD探测器上。
2.在室温下，输入可用显微-拉曼荧光光谱仪探测到LED发光光谱的最小注入电流I0，本实施例的最小注入电流为10μA。
3.在步骤2所述的最小注入电流I0下，从室温开始以20℃的间隔增加烘箱内的温度，同时由光谱仪的CCD探测器采集不同温度下LED的电致发光光谱。
4.对采集的每一幅光谱中位于峰值的2/3数值大小以上的光谱段采用高斯线形进行拟合，以便有效地降低噪声带来的峰位读取误差，获得其准确的发光峰位；并绘制在此最小注入电流下，LED发光峰位与烘箱内温度的变化关系图，作为LED发光峰位随结温变化的标准对应关系Ej，如图1所示，E0＝2.7954eV为室温下，注入电流为I0时，LED的发光峰位。所述的烘箱温度就是LED芯片温度，通常由于器件芯片具有很小的尺寸，因此常把LED芯片的温度视为结温。
5.增大LED注入电流至I＝80mA，重复步骤3，4，获得发光峰位与温度的变化关系图。所不同的是步骤3的升温间隔，在低温段可采用5℃间隔，目的是为了便于读取低温段的结温，高温段可采用10℃间隔，是因为高温段温度对发光峰位的影响起主导作用，其基本是一种线性关系。
6.对步骤5所得关系图中的高温段70℃-130℃段进行线性拟合，可获得高温下发光峰位与温度的线性变化关系EH线，延长直线EH与发光峰位轴相交，截据为Ef＝2.8184eV。直线EH与Ej相互平行，其能量差Ef-E0＝ΔE电流＝0.023eV，如图2所示。这里的高温指的就是高于其结温的烘箱温度。在不同注入电流下，这个高温区域是不同的。为了能涵盖大范围的注入电流，测量烘箱温度在比较大的范围内的发光峰位变化，在温度相对高的基本呈线性变化的区域为高温区域。如果注入电流很大，高温区域就比较小。
7.室温下的发光峰位值EI＝2.8115eV与ΔE电流的差即EI-ΔE电流＝ET＝2.7885eV，如图2所示。
8.将步骤7所得发光峰位ET＝2.7885eV代入步骤4所得LED发光峰位与结温变化的对应关系Ej线，便可得到注入电流为I时，室温下LED的结温为Tj＝45℃，如图2所示。
本发明是针对GaN基半导体发光二极管。对于绿光、蓝光发光二极管测量其主发光峰位的变化；对于白光发光二极管，由于是使用蓝光芯片激发荧光粉发光，只需测量其芯片所发蓝光峰位的变化。
以上所述的实施例仅为了说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的范围并不仅局限于上述具体实施例，即凡依本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍涵盖在本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种检测氮化镓基半导体发光二极管结温的方法，其特征在于具体步骤如下：
A.将被测样品氮化镓基半导体发光二极管置于温度可控的烘箱中，接通直流电源使半导体发光二极管发光，通过光纤将半导体发光二极管所发的光引到显微-拉曼荧光光谱仪的CCD探测器上；所说的烘箱也可用半导体制冷器来代替，并直接将其与半导体发光二极管一起置于显微-拉曼荧光光谱仪的物镜下，调节焦距，将物镜焦点聚在半导体发光二极管发光面上；
B.在起始温度T0下，调节半导体发光二极管注入电流的大小，获得可用显微-拉曼荧光光谱仪探测到的半导体发光二极管发光光谱的最小注入电流I0；
C.在最小注入电流I0下，调节烘箱或半导体制冷器的温度，从起始温度T0开始以5-20℃的间隔逐步增加，同时由光谱仪的CCD探测器采集不同温度下发光二极管的电致发光光谱；所说的起始温度可根据实际需要确定，如需要室温以下，可采用半导体制冷器调节；
D.对采集的每一幅光谱中位于峰值的2/3数值大小以上的光谱段采用高斯线形进行拟合，以便有效地降低噪声带来的峰位读取误差，获得其准确的发光峰位；并绘制在此最小注入电流下，半导体发光二极管发光峰位与烘箱温度的变化关系对应点，将这些点线性拟合形成一条线作为半导体发光二极管发光峰位随烘箱温度变化的标准线性对应关系Ej线；
E.增大半导体发光二极管注入电流I，I值的选取不能超出其最大工作电流，调节烘箱或半导体制冷器的温度及电致发光光谱的采集采用步骤C相同的方法；对采集的每一幅光谱中位于峰值的2/3数值大小以上的光谱段采用高斯线形进行拟合，以便有效地降低噪声带来的峰位读取误差，获得其准确的发光峰位；并绘制在此注入电流I下，半导体发光二极管发光峰位与烘箱温度的变化关系对应点；
F.对步骤E所得的基本呈线性变化区域的对应点进行线性拟合，可获得呈线性变化区域温度下的发光峰位与烘箱温度的线性变化关系EH线，延长EH线与发光峰位轴相交，EH线与Ej线相互平行，其同一温度点的能量差ΔE电流为电流屏蔽效应所引的能量增加值；
G.步骤E所测的对应点中的发光峰位值与ΔE电流的差即为去除电流屏蔽效应后，纯粹与结温相关的发光峰位；
H.将步骤G所得的纯粹与结温相关的发光峰位值代入到标准对应关系Ej线，便可得到步骤E注入电流下的，各种温度下的半导体发光二极管的结温；改变注入电流，便可得到不同注入电流下，不同温度下的半导体发光二极管的结温。
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